La plupart de nos produits quotidiens, comme les plastiques, alliages et aliments transformés, sont fournis sous forme de solides, et ils sont souvent traités par un processus de refroidissement contrôlé d'un mélange liquide à un solide. Cristaux liquides, solutions, polymères, et les biomatériaux forment une grande variété de modèles structurels résultant de différences dans les processus de refroidissement. Ces modèles offrent une diversité de fonctions, et peut influencer de manière significative les propriétés des produits solides. Pour cette raison, comprendre comment se déroule le processus de refroidissement et comment il peut être contrôlé est important dans divers domaines de recherche tels que la physique, la biologie, la science des matériaux, et ingénierie.

Dans de nombreux cas, la formation d'un solide dans un processus de refroidissement est initiée avec la formation de nanostructures, pour laquelle la théorie de la nucléation classique (CNT) a donné une explication simple. Cependant, Les CNT ne peuvent pas rendre compte quantitativement de certaines propriétés physiques importantes telles que le taux de formation de nanostructures. Les simulations moléculaires sont des moyens prometteurs en tant que technologie permettant l'observation du mouvement microscopique de molécules individuelles, compter le nombre de nanostructures, et quantifier leur augmentation. Cependant, il existe de nombreux types de nanostructures difficiles à observer en utilisant uniquement des simulations moléculaires, et des combinaisons de simulations moléculaires avec d'autres technologies avancées sont envisagées pour surmonter cette difficulté. Par exemple, l'existence de nanostructures caractéristiques dans les cristaux liquides pendant le processus de refroidissement a été prédite sur la base d'expériences de diffusion des rayons X. Cependant, les détails de ces nanostructures n'ont pas pu être révélés par les seules simulations moléculaires et sont restés une question ouverte. Il a donc été fortement souhaité de développer des technologies de calcul qui fournissent de nouvelles méthodes d'analyse pour l'identification de nanostructures avec une grande précision, faciliter la conception de matériaux innovants.

L'un des objectifs de la "Technologie de conception et de prototypage à très haut débit pour le projet de développement de matériaux ultra avancés" de la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) est d'accélérer le développement de matériaux fonctionnels organiques et polymères grâce à la trinité des calculs. science, technologie des procédés, et la technologie de mesure. Dans le cadre de ce Projet, Dr Kazuaki Z. Takahashi, Chercheur senior du Centre de recherche en conception informatique de matériaux fonctionnels avancés (CD-FMat), Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), Dr Takeshi Aoyagi, Directeur de recherche principal du CD-FMat, AIST, et le Dr Jun-ichi Fukuda, Professeur du Département de Physique, Faculté des sciences, Université de Kyushu, ont développé les technologies visant le contrôle des structures matérielles, en accordant une attention particulière à la nanostructuration comme point de départ. Leur étude porte sur le processus de refroidissement des cristaux liquides, matériaux fonctionnels organiques et polymères typiques.

Ils ont développé une nouvelle méthode d'analyse qui combine la simulation moléculaire et l'intelligence artificielle (IA) pour observer le processus de formation de nanostructures caractéristiques dans les cristaux liquides trempés. Ils ont découvert un processus de nanostructuration en trois étapes qui ne peut pas être expliqué par la théorie de la nucléation classique, et a également clarifié son mécanisme.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans une revue scientifique interdisciplinaire britannique Communication Nature le 6 septembre, 2021.